专利名称：激光雷达光路自动准直方法及准直仪的制作方法
技术领域：
本发明属于一种激光技术，具体是一种激光雷达光路的自动准直方法与仪器。
背景技术：
随着激光器、光电子技术及信号探测技术的发展，激光雷达越来越广泛应用到环境监测及大气科学研究等领域。激光雷达逐渐成为一种常规观测工具，而作为常规观测工具对激光雷达的稳定性和自动化程度要求也愈来愈高。
在激光雷达系统中，要求接收视场角与发射激光的发散角严格匹配。但由于温度变化、光学平台震动、激光器模式变化或波长更换等原因常常导致激光雷达接收和发射系统光轴偏离，因此在激光雷达每次测量前必须要做的工作是收发光路的对准，也就是使接收视场角与发射激光的发散角严格匹配，因为收发系统光轴发生偏离会使测量信号产生误差，而这种误差只能在测量数据被计算处理时才能发现，因此会导致大量测量信号无效。对于非同轴激光雷达接收和发射分的比较远，光束质量差，及水平发射等情况会使光路对准困难；而针对拉曼、偏振及对平流层中间层等高层探测的激光雷达系统为减少天空背景光的干扰往往需要减小接收视场角，这使得收发光路的对准难度更高。
此项工作过去一直是人工操作，繁琐费时，误差大，而且需要有专业训练的高技术人员借助精密光学调整支架和水平仪器进行精细的工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光雷达光路自动准直方法及准直仪，通过计算机控制，计算确定反射镜的最佳位置，减少了人为操作的误差，保证每次光路调节的有效性，节省用于调整光路的时间，提高激光雷达的工作效率。
本发明的技术方案如下激光雷达光路自动准直方法，其特征在于
激光雷达光路自动准直方法，其特征在于(1)、设置一个镜架，镜架上安装有固定板，固定板上通过弹簧连接有活动板，活动板上安装有反射镜，镜架内安装有二组滑块/测微头滑动机构及其驱动步进电机，滑块顶部有顶杆，所述的顶杆和弹簧在活动板下表面呈X-Y轴垂直分布，在X-Y轴的交点处有钢球安装在固定板和活动板之间，驱动步进电机通过驱动测微头带动滑块在导杆上作上、下移动，进而带动顶杆上、下移动，使得活动板上安装的反射镜沿X轴和Y轴转动；(2)、通过激光器发射激光经反射镜向天空发射，由接收望远镜接收回波信号，进行光电转换，传输到计算机进行数据处理，并向驱动步进电机提供驱动指令；(3)、激光雷达接收的回波信号是随高度分布的大气回波强度，选择用于大气回波计算分析的回波信号的高度范围；(4)、通过计算机先后对两组驱动步进电机发出驱动指令，其中一个驱动步进电机逐步转动，带动活动板上的反射镜转动，不断改变激光发射指向，记录大气回波信号，计算特定高度范围的回波值，将发射光从接收望远镜的接收视场外逐步导入视场，再从视场中逐步移出，这样特定高度范围的大气回波值和步进电机的步数在坐标上形成一个完整梯形，找到梯形中心点，即可将此驱动步进电机移至此中心点对应的目标步数位置；(5)、换另一驱动步进电机重复过程(4)，并确定另一驱动步进电机的目标步数位置，即得到反射镜的目标位置；(6)、如果大气回波值与步进电机的步数在坐标上形成的梯形不规则，则采用下面方法确定中心点W=ΣiPiWiΣiPiPi>Pb]]>公式中，i为循环变量以步进电机的步进值递进。Pi为步进电机位置Wi所对应在特定高度的回波强度值，Pb为当时条件下的系统背景值，可以是不出光时累积一定脉冲数的天空背景回波信号的平均值，也可以使用任何一组回波中一定高度后不包含任何有效信号的回波信号平均值；W为最终步进电机位置也是中心位置；Pi的选择范围为大于背景值的两倍。
激光雷达光路自动准直仪，包括有反射镜、激光器、信号探测单元、接收望远镜和计算机，其特征在于包括有镜架，镜架上安装有固定板，固定板上安装有活动板，活动板和固定板之间通过弹簧连接，活动板上安装反射镜，镜架内安装有两组滑块/测微头机构及其驱动步进电机，所述的测微头和驱动步进电机之间通过联轴器联接，测微头顶部和滑块联接，滑块套装在导杆上，所述的两个滑块上端有顶杆，从镜架和固定板上的开孔伸出到活动板下方。
所述的准直仪，其特征在于所述的顶杆和弹簧在活动板下表面呈X-Y轴垂直分布，在X-Y轴的交点处有钢球安装在固定板和活动板之间。
每个滑块/测微头机构包括安装在镜架内的左、右各二根导轨，滑块套装在二根导轨上，滑块顶部有顶杆，滑块下端和测微头联接，测微头和驱动步进电机之间通过联轴器连接，顶杆伸出镜架和固定板上的开孔位于活动板的下方，顶杆向上移动时，活动板一侧向上转动。
当两个步进电机交替转动时，活动板就可以绕着X和Y轴转动。
本发明的主要优点1.机械结构先进、新颖2.光机电结合，整体结构简单、实用3.测量方法操作简单，有效应用前景大气科学实验测量仪器及测量方法，应用于各种激光雷达系统中。
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明镜架结构示意图。
图3为本发明镜架上固定板俯视图。
图4为本发明驱动电机定位流程框图。
图5为本发明滑块/测微头机构示意图。
具体实施例方式
激光雷达光路自动准直仪，包括有反射镜、激光器、信号探测单元、接收望远镜和计算机，其特征在于包括有镜架1，镜架上安装有固定板2，固定板2上安装有活动板3，活动板3和固定板2之间通过弹簧4连接，活动板3上安装反射镜5，镜架1内安装有两组滑块/测微头机构及其驱动步进电机，所述的两个滑块6上端有顶杆7，从镜架1和固定板2上的开孔伸出到活动板3下方。所述的顶杆7和弹簧4在活动板下表面呈X-Y轴垂直分布，在X-Y轴的交点处有钢球8安装在固定板2和活动板3之间。
滑块/测微头机构为包括安装在镜架内的左、右侧各二根导杆9，滑块套装在二根导杆9上，滑块下端和测微头10联接，测微头和驱动步进电机11之间通过联轴器12联接。
激光雷达光路自动准直方法，其特征在于(1)、设置一个镜架，镜架上安装有固定板，固定板上通过弹簧连接有活动板，活动板上安装有反射镜，镜架内安装有二组滑块/丝杆机构及其驱动步进电机，滑块顶部有顶杆，所述的顶杆和弹簧在活动板下表面呈X-Y轴垂直分布，在X-Y轴的交点处有钢球安装在固定板和活动板之间，驱动步进电机通过丝杆带动滑块上、下移动，进而可以带动顶杆上、下移动，使得活动板上安装的反射镜沿X轴和Y轴转动；(2)、通过激光器发射激光经反射镜向天空发射，由接收望远镜接收回波信号，进行光电转换，传输到计算机进行数据处理，并向驱动步进电机提供驱动指令；(3)、激光雷达接收的的回波信号是大气随高度分布的回波强度，选择用于大气回波计算分析的回波信号的高度范围；(2)通过计算机先后对两组驱动步进电机发出驱动指令，其中一个驱动步进电机逐步转动，带动活动板上的反射镜转动，不断改变激光发射指向，记录大气回波信号，计算特定高度范围的回波值，将发射光从接收望远镜的接收视场外逐步导入视场，再从视场中逐步移出，这样特定高度范围的大气回波值和步进电机的步数在坐标上形成一个完整梯形，找到梯形中心点，即可将此驱动步进电机移至此中心点对应步数位置；(3)换另一驱动步进电机重复过程(2)，并确定另一驱动步进电机的对应步数位置，即得到反射镜的目标位置；(4)如果大气回波值与步进电机的步数在坐标上形成的梯形不规则，则采用下面方法确定中心位置
W=ΣiPiWiΣiPiPi>2Pb]]>公式中，i为循环变量以步进电机的步进值递进。Pi为步进电机位置Wi所对应在特定高度的回波强度值，Pb为当时条件下的系统背景值，可以是不出光时累积一定脉冲数的天空背景回波信号的平均值，也可以使用任何一组回波中一定高度后不包含任何有效信号的回波信号平均值；W为最终步进电机位置也是中心位置；Pi的选择范围为大于背景值的两倍。
权利要求
1.激光雷达光路自动准直方法，其特征在于(1)、设置一个镜架，镜架上安装有固定板，固定板上通过弹簧连接有活动板，活动板上安装有反射镜，镜架内安装有二组滑块/测微头滑动机构及其驱动步进电机，滑块顶部有顶杆，所述的顶杆和弹簧在活动板下表面呈X-Y轴垂直分布，在X-Y轴的交点处有钢球安装在固定板和活动板之间，驱动步进电机通过驱动测微头带动滑块在导杆上作上、下移动，进而带动顶杆上、下移动，使得活动板上安装的反射镜沿X轴和Y轴转动；(2)、通过激光器发射激光经反射镜向天空发射，由接收望远镜接收回波信号，进行光电转换，传输到计算机进行数据处理，并向驱动步进电机提供驱动指令；(3)、激光雷达接收的回波信号是随高度分布的大气回波强度，选择用于大气回波计算分析的回波信号的高度范围；(4)、通过计算机先后对两组驱动步进电机发出驱动指令，其中一个驱动步进电机逐步转动，带动活动板上的反射镜转动，不断改变激光发射指向，记录大气回波信号，计算特定高度范围的回波值，将发射光从接收望远镜的接收视场外逐步导入视场，再从视场中逐步移出，这样特定高度范围的大气回波值和步进电机的步数在坐标上形成一个完整梯形，找到梯形中心点，即可将此驱动步进电机移至此中心点对应的目标步数位置；(5)、换另一驱动步进电机重复过程(4)，并确定另一驱动步进电机的目标步数位置，即得到反射镜的目标位置；(6)、如果大气回波值与步进电机的步数在坐标上形成的梯形不规则，则采用下面方法确定中心点W=ΣiPiWiΣiPiPi>2Pb]]>公式中，i为循环变量以步进电机的步进值递进。Pi为步进电机位置Wi所对应在特定高度的回波强度值，Pb为当时条件下的系统背景值，可以是不出光时累积一定脉冲数的天空背景回波信号的平均值，也可以使用任何一组回波中一定高度后不包含任何有效信号的回波信号平均值；W为最终步进电机位置也是中心位置；Pi的选择范围为大于背景值的两倍。
2.激光雷达光路自动准直仪，包括有反射镜、激光器、信号探测单元、接收望远镜和计算机，其特征在于包括有镜架，镜架上安装有固定板，固定板上安装有活动板，活动板和固定板之间通过弹簧连接，活动板上安装反射镜，镜架内安装有两组滑块/测微头机构及其驱动步进电机，所述的测微头和驱动步进电机之间通过联轴器联接，测微头顶部和滑块联接，滑块套装在导杆上，所述的两个滑块上端有顶杆，从镜架和固定板上的开孔伸出到活动板下方。
3.根据权利要求1所述的准直仪，其特征在于所述的顶杆和弹簧在活动板下表面呈X-Y轴垂直分布，在X-Y轴的交点处有钢球安装在固定板和活动板之间。
全文摘要
本发明公开了一种激光雷达光路自动准直方法及准直仪，包括有反射镜、激光器、信号探测单元、接收望远镜和计算机，其特征在于包括有镜架，镜架上安装有固定板，固定板上安装有活动板，活动板和固定板之间通过弹簧连接，活动板上安装反射镜，镜架内安装有两组滑块/测微头机构及其驱动步进电机，滑块上端有顶杆，从镜架和固定板上的开孔伸出到活动板下方。通过驱动步进电机转动，带动滑块和其顶杆向上移动，调整活动板在X、Y轴转动，最终确定反射镜的目标位置，准确度高。应用前景大气科学实验测量仪器及测量方法，应用于各种激光雷达系统中。
文档编号G01S7/493GK1952687SQ20061009752
公开日2007年4月25日 申请日期2006年11月2日 优先权日2006年11月2日
发明者李琛, 刘小勤, 胡顺星, 薛辉, 胡欢陵 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所